Q点稳定电路的挖掘和延伸

2015-07-05史雪飞

电气电子教学学报 2015年3期

史雪飞，陈静，刘艳

(北京科技大学自动化学院，北京100083)

本文对“模拟电子技术”课程的经典电路—Q点稳定(射极分压式偏置)电路进行深层次的挖掘:从细致剖析它的结构开始，让学生明白结构决定性能的电路基本原则;不仅将电流、电压的近似计算引入其中，还结合深度负反馈的概念阐述估算在该课程中的重要意义;挖掘该电路中隐含的认知规律(发现问题、分析问题、解决问题、发现新问题、再分析和再解决)，提炼以变化应变化的普适工程化思维，使学生掌握和体会电路背后蕴含的知识和魅力。

1 估算与工程化思维

模拟电路中影响电路工作状态的因素往往很复杂，如电子器件的特性和参数的分散性等，因此在对电路进行分析计算时要从实际出发，抓住主要矛盾，用工程的观点进行估算，以达到事半功倍的效果。而学生长期以来一直接受的学习理念是:求解问题要求逻辑上的严密和数学上的精确，但在模拟电路中这种惯性思维却往往成为解题的障碍，它使问题复杂化甚至无从下手。学生脑中还没有建立工程思维，所以从精确、严谨到粗略、估算需要慢慢扭转思维习惯。

模拟电路还具有较强的工程性，很多实例渗透和体现着工程化的思维[1]。千变万化的电路背后其实都遵循着相同的解决方法和思想，如何通过简单的电路在有限的时间里传递给学生重要的思想和方法是每一个任课教师应该研究的课题。

2 Q点稳定电路的深层挖掘

本文以Q点稳定电路为例，从解析它的结构开始，传递给学生一个简单的原则——电路结构决定其性能;通过比较该电路精确计算和近似计算之间的差异，感性地引入估算在模拟电路中的有效性和重要性;分析Q点稳定电路真正稳定的秘密，将解决思想和方法提炼为普适的工程化思维;挖掘该电路中蕴含的认知规律，使学生体验并学会电路背后隐藏的知识和魅力。

2.1 电路结构决定其性能

如图1所示，首先比较图1(b)所示的射极分压式偏置电路:Q点稳定电路与图1(a)所示的固定偏置电路在结构上的区别。对比两个基本放大电路中的元器件，图1(b)中的Q点稳定电路增加了两个电阻Rb1和Re。其中Rb1的存在保证了放大电路中基极电位UB近似不变;发射极电阻Re引入了直流负反馈，起到稳定Q点的作用。射极分压式偏置电路结构上的这两个改变正是为了创造出稳定Q点的条件。在整个Q点稳定的过程中，Re介于输入和输出回路中间，输出电流IC流经它，当IC增加(IE增加)时，Ue增加，电压UBE减小(这里强调基极到地电位UBO固定的必要性)，从而稳定Q点(IC减小);上述分析中，UBO电位的固定和发射极电阻Re的直流负反馈作用对稳定Q点来说缺一不可。

图1 固定偏置电路和射极分压式偏置电路

通过分析Rb1和Re这两个电阻的作用，便传递给学生电子技术中所遵循的电路结构决定其性能的基本原则。

2.2 电路中估算的重要性

对于图1(b)所示的射极分压式偏置电路，由于基极电流IBQ远小于流经Rb1的电流，故可以将两只分压电阻Rb1、Rb2近似看成串联，因此基极电位UBQ近似为两电阻对VCC分压后Rb1上的电压。虽然用结点电流方程也可以精确地求出UBQ，但推算过程繁琐，而近似方法既简便快捷又基本上不影响结果的正确性。

教学中教师可通过具体的数学解析计算和近似分析方法的复杂度对比来说明放大电路中估算的重要性。例如:图1(b)电路的参数如下，Rb1=2.5kΩ，Rb2=7.5kΩ，RC=2kΩ，Re=1kΩ，VCC=12V，β =30，根据直流通路可以列出下面的方程组:

代入参数后进行求解，求出IBQ=72.16μA，UBQ=2.86V。

如果将Rb1和Rb2看作近似串联关系，直接按照分压公式依次求解出

对比两种方法求解出的基极电流只相差不到2μA，基极到地电位只相差0.14V;很显然后者的近似估算方法既简便快捷，误差又在允许的范围之内，这就是工程化估算的重要性。对比两种方法的复杂度之后，教师要适时对估算的条件和原则加以介绍。例如:强调图1(b)中分压电阻Rb1的取值(与Rb2数量级的匹配关系)决定了IBQ是否可以忽略。因此在授课过程中，教师不仅需要引入估算的方法，而且还要强调估算的条件和原则。

2.3 电路中的工程思维

射极分压式偏置电路正是应用了工程中常见的以变化应变化的补偿思路来解决Q点稳定的问题:即温度引起Q点的变化，电路采用直流负反馈把这种变化返回影响输入电压，从而使得Q点朝着相反方向变化，保证了Q点的基本不变。同样也是在这种工程思维的指引下，还可以通过其他的途径实现补偿的目的，例如:利用热敏电阻和二极管的正向特性以及热敏电阻和二极管的反向特性分别可以实现用温度补偿稳定Q点的方法，如图2所示，这也是一种以变化应变化的思路，只是具体实现方法不同[2]。教学过程中如果能够提炼出以变化应变化的普适工程思维方式，将有利于学生更好地理解电路背后蕴含的思想和方法。

图2 利用二极管特性稳定Q点进行温度补偿

2.4 电路中隐含的认知规律

从射极分压式偏置电路稳定Q点的教学实践中，我们可以从下面的认知分析规律挖掘出科学技术螺旋式发展的过程:客观上的Q点不稳定带来什么样的后果(看到现象)?是什么样的原因使它不稳定的(分析问题)?怎么稳定它(解决问题)?在稳定的过程中会不会遇到新的问题呢?这个电路的分析中隐性地存在着一个科学技术的普遍规律:发现问题—分析—解决—产生新问题—再分析—再解决。就Q点稳定电路而言，具体的认知规律示于表1，它能帮助学生理清电路不断改进的过程，有助于他们将新的电路纳入自身已有知识结构体系[3]。